Der Kunststoff der Zukunft – alles bio oder was?

Wenn du das hier liest, schaust du auf Kunststoff. Ob Handy, Laptop, Möbel, Auto, Lack oder Verpackung – selbst in Kosmetik, Kleidung und Shampoo finden sich heutzutage Kunststoffe. Sie sind aus unserem Leben praktisch nicht mehr wegzudenken. Dabei ist ein Kunst-Stoff genau das: Zum einen ein künstlicher Stoff – aber eben auch ein kunstvoller. Kein anderes Material ist so vielseitig und vergleichsweise einfach und energieeffizient zu bearbeiten, wie Kunststoffe.

Wieso sind Kunststoffe dann in den letzten Jahren immer stärker in die Kritik geraten?

Die Medienberichterstattung zum Themenbereich Kunststoff fokussiert sich in letzter Zeit zunehmend auf negative Umwelteinflüsse des Materials. Petrochemische Kunststoffe bauen sich nur in sehr langen Zeiträumen (bis zu 2.000 Jahre, vgl. Fraunhofer 2018, S.27) in der Umwelt ab. Dabei zerfallen die Materialien unter anderem durch den Einfluss des UV-Lichts der Sonne in immer kleinere Teile und es kann Mikroplastik entstehen. Einer der größten Verursacher von Mikroplastik ist indes aber der Abrieb von Autoreifen (vgl. Fraunhofer 2018, S.10). Sowohl Makro- als auch Mikroplastik sind Belastungen für eine natürliche Umwelt. Die Materialien sammeln sich in natürlichen Lebensräumen (z.B. im Meer) und werden dort von Tieren aufgenommen. Dies kann gesundheitliche Schäden für Tiere bedeuten (vgl. Fraunhofer 2018, S.31) – aber auch für Menschen, die über die Nahrungskette auch Mikroplastik aufnehmen können. Bestimmte Bestandteile in Kunststoffen stehen dabei im Verdacht gesundheitliche Schäden zu verursachen (vgl. Fraunhofer 2018, S.31).

Laut einer Studie der Heinrich-Böll-Stiftung und des BUND wurden weltweit zwischen 1950 und 2015 über 8,3 Mrd. Tonnen Kunststoff erzeugt. Gleichzeitig wurden davon bisher jedoch weniger als 10 %  recycelt (vgl. Plastikatlas 2019).

Kunststoffe sind so vielfältig, wie ihre Anwendungsgebiete. Das ist gleichzeitig ein großes Pfund und ein riesiges Problem. Durch die unterschiedlichsten Eigenschaften und Additive können Kunststoffe speziell auf ihren Einsatzzweck zugeschnitten und individualisiert werden. Je individueller ein Kunststoff aber ist, desto problematischer ist die Sortierung und das Recycling am Ende des Lebenszyklus. Denn das Recycling ist auf die häufigsten Sorten Kunststoff abgestimmt und weiß mit seltenen Sorten nichts anzufangen. Die mengenmäßig mit Abstand am bedeutendsten Kunststoffe sind Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Diese finden zum Großteil Einsatz im Verpackungsbereich. Die klassische Plastikfolie/–tüte oder Shampoo-Flasche ist häufig aus PE, während PP eher für die härteren Schalen und „Tupperdosen“ genutzt wird. Auch im Baubereich werden große Mengen an Kunststoff (insbesondere Polyvinylchlorid PVC) eingesetzt. Unter anderem Vinylböden bestehen aus diesem Material.

Abbildung 1 zeigt eine Übersicht der wichtigsten Kunststoffe nach Branchen.

Abbildung 1 – Verbrauch bestimmter Kunststoffe nach Branchen        Quelle: Conversio 2020

Hier zeigt sich ein wichtiger Punkt: Je nach Einsatzgebiet und Anwendungsfall sind die Anforderungen an das Material extrem unterschiedlich. Verpackungen sollen leicht, dünn und aromadicht sein. Langlebigkeit ist bei Verpackungen nicht das entscheidende Kriterium. Fußböden und Fensterscheiben sollten hingegen möglichst widerstandsfähig und langlebig sein. Es gibt also gar nicht „den einen“ Kunststoff, und es würde diesem kunstvollen Ingenieurmaterial auch nicht gerecht werden, alle Kunststoffe über einen Kamm zu scheren.

Schau dich einmal in deinem Zimmer um oder aus dem Fenster und überlege, aus welchen Materialien deine Brillengläser, die Fensterrahmen, die Tastatur, der Boden oder die Farbe auf deinem Fahrrad / Auto anders hergestellt werden könnte als aus Kunststoff. Vielleicht denkst du jetzt z.B. an Holz oder Metall? Für viele Produkte wäre das theoretisch denkbar. Wie schön wäre eine Tastatur aus Holz? Aber aus welchem Material soll dann die Leiterplatte bestehen, die sich in der Tastatur befindet? Wie viele Bäume müssen wir fällen, um daraus genug Knöpfe herzustellen? Wie viel Energie würden wir benötigen, wenn wir Metall erst erwärmen müssten, um es in die richtige Form zu bringen? Und wie viel Gewicht würden wir bewegen müssen, wäre alles Kunststoff mit Metall ersetzt? Ganz zu schweigen davon, dass Metall auch kein erneuerbarer Rohstoff ist.

Kunststoffe haben ihre Daseinsberechtigung. Es gibt sehr sinnvolle Anwendungsgebiete für diesen Werkstoff. Aber reicht das aus, um die Umweltauswirkungen auszugleichen? Nein, natürlich nicht. Übermäßiger Konsum zu Lasten natürlicher Ressourcen kann nicht nachhaltig und sinnvoll sein. Aber wie soll das Dilemma nun gelöst werden?

Schon Paracelsus wusste: Die Dosis macht das Gift. Dem Werkstoff „Kunststoff“ wohnt keine mutwillige oder intrinsische Motivation zur Umweltzerstörung inne. Nüchtern betrachtet ist es nur ein leistungsfähiges Material – neben anderen Werkstoffen. Wie so häufig sind wir es, – jeder und jede Einzelne von uns – die Kunststoff „zum Problem“ machen. Es ist unser Konsumverhalten, oder die Bequemlichkeit. Es ist einfacher und schneller abgepackten Käse zu kaufen als selbst einen Mehrwegbehälter an die Käsetheke mitzubringen. So erzeugt das Konsumverhalten die Nachfrage für hohe Mengen an Kunststoffen.

Aber auch bei der Entsorgung machen sich viele nur wenige Gedanken. Sofern es überhaupt eine gelbe Tonne oder einen gelben Sack gibt (was nicht in allen Kommunen in Deutschland der Fall ist), werden dort noch immer maximal halbherzig die Kunststoffe von anderen Wertstoffen getrennt. Häufig landen Kunststoffe im Restmüll und werden verbrannt. Stark verschmutzte Verpackungen, oder Verbundmaterialien (z.B. Tetrapack) oder Joghurtbecher bei denen die Pappe oder der Aluminiumdeckel nicht entfernt sind, werden sofort aussortiert und verbrannt oder deponiert (vgl. UBA 2021). Zigarettenkippen, Bonbonpapier oder Kaugummi werden häufig gar nicht in die Abfallströme gegeben, sondern gelangen direkt in die Umwelt. Und wenn ein gelber Sack bei Sturm auf die Straße fliegt und von einem Auto erfasst wird (vielleicht kennt der ein oder andere das Bild ja), dann ist der Schaden unmittelbar vorhanden. Doch selbst, wenn die Kunststoffe gesammelt werden, werden aktuell nur 48 % werkstofflich weiter verwertet, aber nur 13,7 % finden tatsächlich Einsatz als Rezyklat. 52 % gehen direkt in die thermische Verwertung (vgl. Conversio 2020).

Während wir in Deutschland ein vergleichsweise gutes Recyclingsystem für Kunststoffe haben, sieht das in anderen Regionen der Welt natürlich anders aus. Ohne angemessene Infrastruktur und Entsorgungsbetriebe gelangt Abfall unmittelbar in die Umwelt und wird dann i.d.R. über die Gewässer weltweit verteilt (vgl. Gray 2018). Doch nur weil es in anderen Nationen schlechter läuft, können wir uns auf unserer unzureichenden Recyclingquote noch lange nicht ausruhen.

Sind Biokunststoffe also vielleicht die Lösung?

Um das zu beantworten, müssen wir zunächst den Begriff „Bio“-Kunststoff näher beleuchten. Denn was ist denn „bio“ an einem künstlichen Material? Das „bio“ kann sich auf mehrere Aspekte beziehen. Zum einen können damit Kunststoffe biogenen Ursprungs (z.B. aus Stärke oder Zucker) bezeichnet werden, aber auch biologisch abbaubare / kompostierbare Kunststoffe werden unter dem Sammelbegriff Biokunststoff zusammengefasst. Daher etabliert sich in der Wissenschaft zurzeit eine differenziertere Betrachtung. Es wird von biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffen gesprochen. Abbildung 2 zeigt einen Überblick über die Taxanomie im Kontext von Biokunststoffen.

Abbildung 2 – Klassifikation von (Bio-)Kunststoffen (grüne Bereiche)          Quelle: Mays (2021), S.60.

In der oberen Hälfte befinden sich biobasierte Kunststoffe. Die untere Hälfte zeigt Plastik petrochemischen Ursprungs. Die beiden linken Quadranten umfassen nicht bioabbaubare Kunststoffe, während die beiden rechten Quadranten Kunststoffe umfassen, die in der Umwelt natürlich abgebaut werden können. Besonders erwähnenswert ist auch der Bereich unten rechts: Es gibt tatsächlich auch Kunststoffe aus Erdöl, die biologisch abbaubar sind (vgl. Endres/Siebert-Raths 2009).

Aus Sicht der Bioökonomie besteht das Ziel, dass die Gesellschaft sich von fossilen Rohstoffen trennt und auf erneuerbare Ressourcen umstellt. Daher sind die beiden unteren Quadranten der Abbildung im Folgenden nicht weiter relevant. Stattdessen rücken die Werkstoffe der oberen Hälfte in den Fokus.

Insbesondere Bio-PE und Bio-PP sind wichtige Biokunststoffe, da sie technisch dieselben Eigenschaften aufweisen, wie die petrochemischen Äquivalente. Das lässt sich am Beispiel des PEs gut darstellen:

Abbildung 3 – petrochemische Wertschöpfungskette von PE    Quelle: Mays (2021), S.65 (stark modifiziert).

Abbildung 3 zeigt die grobe Wertschöpfungskette der petrochemischen Route. Das Rohöl wird gefördert, raffiniert und im Anschluss wird das Naphtha gecrackt (chemisch aufgeschlossen). Dabei entsteht unter anderem Ethylen als chemisches Produkt. Aus diesem kann dann das Polymer (der Kunststoff) Polyethylen hergestellt werden.

Abbildung 4 –biobasierte Wertschöpfungskette von PE    Quelle: Mays (2021), S.65 (stark modifiziert).

In Abbildung 4 ist die Wertschöpfungskette auf Basis biologischer Rohstoffe dargestellt. Zunächst muss Biomasse, z.B. in Form von Zuckerrüben, produziert werden. Diese wird mit Hilfe einer Bioraffinerie in einem zweistufigen Raffinationsprozess verarbeitet. Am Ende der zweiten Raffinationsstufe kann Ethanol oder in dehydrierter Form Ethylen gewonnen werden. Dieses technische Gas ist chemisch dasselbe wie über die petrochemische Route. Daher sind auch beide PE-Varianten technisch gleich. Das ist auch der Grund, warum das Bio-PE trotz seiner biologischen Herkunft, nicht bioabbaubar ist.

Welchen Nutzen haben biologisch abbaubare Kunststoffe?

Häufig fragt man sich, ob biologisch abbaubare Kunststoffe nicht grundsätzlich eine bessere Alternative wären als nicht-abbaubare Kunststoffe. Aber auch dieser Gedanke muss zunächst weitergedacht werden. Was wäre zum Beispiel, wenn du dein Auto am Flughafen am Parkplatz abstellst, zwei Wochen in den Süden fliegst, und dann nach der Rückkehr deine Reifen fehlen? Nicht etwa, weil jemand dachte die passen besser zu seinem Auto, sondern weil du in einer Pfütze geparkt hast und sich der Kunststoff in den zwei Wochen einfach aufgelöst hat.

Es ist also auch hier wieder notwendig, die jeweiligen Einsatzbereiche und Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Grundsätzlich kann man sagen, dass Kunststoffe, die in der Gefahr stehen in der Natur zurückgelassen zu werden, besser biologisch abbaubar sein sollten. Das betrifft beispielsweise kurzlebige Verpackungen. Bei Elektrogeräten oder im Baubereich (oder bei deinen Sneakers) ist aber die Langlebigkeit des Materials ohne Verlust der technischen Eigenschaften dringend nötig. Daher gibt es tatsächlich nur wenige sinnvolle Anwendungen für biologisch abbaubare Kunststoffe. Das nova-Institut hat jüngst eine sehr gute und umfassende Studie zu sinnvollen Anwendungen für abbaubare Biokunststoffe herausgegeben (vgl. nova 2021). Abseits von Teebeuteln, Mulchfolien oder Borsten von Straßenkehrmaschinen bleiben noch weitere sinnvolle Anwendungen für bioabbaubare Kunststoffe. Insgesamt machen diese Anwendungsgebiete aber eine (deutliche) Minderheit aus.

Ein weiterer Nachteil von bioabbaubaren Kunststoffen ist, dass diese dem zirkulären Ansatz widersprechen. Kompostierte Kunststoffe können nicht recycelt werden und bringen auch nur marginale Mengen an Nährstoffen in den Boden ein. Jedes kompostierte Pfund Kunststoff muss wieder neu produziert werden. Das ist kaum nachhaltig.

Sind Biokunststoffe besser als petrochemische?

Biokunststoffe sind aktuell noch deutlich teurer (bis zu dreimal so teuer) als konventionelle Kunststoffe (vgl. Nova 2021). Auf Basis der obigen Abbildung bekommt man auch einen ersten Eindruck, warum das so ist. Die Wertschöpfungskette ist viel länger. Es sind deutlich mehr Verarbeitungsschritte notwendig, bis aus einer Zuckerrübe Ethylen gewonnen wurde, als es beim Öl der Fall ist. Auch unter dem Aspekt der Skaleneffekte (Economies of Scale) schlagen die großen Ölraffinerien kleine Bioraffinerien. Der Preishebel liegt hier im Wesentlichen beim Rohölpreis. Dieser ist die Benchmark, anhand der sich die Wirtschaftlichkeit bei der Produktion von Biokunststoffen messen muss. Hier kommt in Zukunft vielleicht ein Faktor hinzu, der Biokunststoffen neuen Schub geben könnte: der CO2-Preis. Denn bei der Produktion von konventionellen Kunststoffen entsteht CO2. Diese Kosten sind auf die Erzeugerpreise aufzuschlagen, was zu einer Preissteigerung der konventionellen Kunststoffe führt. Je höher der Preis für eine Tonne CO2 wird, desto eher rentieren sich Biokunststoffe.

Je mehr Biomasse zur Erzeugung von Kunststoffen genutzt wird, desto weniger Biomasse steht für andere Zwecke zur Verfügung. Damit kommen wir schnell in eine Flächennutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Denn Potentialanalysen zeigen regelmäßig, dass das Angebot an Biomasse nicht ausreicht, um alleine den technischen Werkstoffbedarf decken zu können – selbst wenn man nicht nur die landwirtschaftlichen Nebenerzeugnisse, sondern auch die Hauptprodukte (also den Nahrungsmittelanteil) der Ackerfrüchte zur technischen Verwertung nutzen würde. Es besteht also eine Deckungslücke (vgl. Becker 2016; Phytowelt 2016; Mays 2021).

Hier sind progressive Ansätze zwingend nötig, damit die verfügbare Biomasse gesteigert werden kann und immer weniger fossile Rohstoffe gebraucht werden müssen. Die reine Erhöhung des Angebotes wird aber vermutlich auch zu kurz greifen. Daher sind auch Suffizienzstrategien dringend notwendig. Eine Bewusstseinsänderung seitens der Konsumenten, weniger Ressourcen zu verbrauchen, ist einer der stärksten Hebel für den Erfolg einer Bioökonomie. Der pro-Kopf Verbrauch an Kunststoffen liegt in Deutschland pro Jahr im Schnitt bei 149 kg, Tendenz steigend (vgl. Conversio 2020). Das sind über 12 Mio. Tonnen Kunststoffverbrauch in Deutschland pro Jahr. Positive Anreizimpulse für die Industrie kann jeder Einzelne mit seinem Kaufverhalten setzen. Statt zur Einwegflasche einfach mal Mehrweg kaufen. Statt einzeln verpackte Waschmitteltabs zu kaufen, auf loses Waschmittel zurückgreifen. Und Obst und Gemüse bringen ihre eigene “Schutzhülle” bereits häufig selber mit – da ist ein extra Kunststoffbeutel selten sinnvoll. Wer möchte, kann heutzutage bereits mit einfachen Mitteln sehr viel Plastikmüll vermeiden.

Der Kunststoffverbrauch steigt jedes Jahr an, und bereits jetzt reicht die vorhandene Biomasse nicht aus, um daraus den Bedarf für die Biokunststoffproduktion bereitzustellen. Daher ist ein dritter Aspekt von großer Bedeutung: Die Recyclingquote von Kunststoffen ist viel zu niedrig. Das ist in den großen Herausforderungen der Sammlung, aber vor allem Sortierung der Kunststoffabfälle begründet. Ein vielversprechender Ansatz ist das chemische Recycling, bei dem eine Sortierung der Abfälle nicht mehr notwendig ist und Verunreinigungen des Materials nahezu keine Rolle spielen. Zudem können so aus den alten Kunststoffen Rezyklate in „virgin“-Qualität hergestellt werden. Mit jeder recycelten Tonne Kunststoff, kann eine weitere neu produzierte Tonne eingespart werden. Ein wichtiges Ziel ist es daher, nicht das Angebot von neu produzierten Bio- oder konventionellen Kunststoffen zu erhöhen, sondern das Recycling auszubauen. Rezyklat sollte das Standardmaterial werden, und nur die restliche Deckungslücke mit Biokunststoffen aufgefüllt werden.

1. Verbrauch reduzieren
2. Recycling intensivieren
3. Biomasseproduktion steigern

Das sind progressive Ansätze zu einer nachhaltigen Bioökonomie.

Literatur

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Victor Mays

Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei GEMIT Institut Hochschule Niederrhein

Victor Mays (M.Eng.) ist ausgebildeter Produktionstechnologe in einem kunststoffverarbeitenden Unternehmen und studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Niederrhein. Er forscht und arbeitet am GEMIT-Institut als wissenschaftlicher Mitarbeiter im CONUS-Projekt an der Gestaltung und Umsetzung bioökonomischer Wertschöpfungsketten für den Niederrhein.

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Getagged mit:bioeconomy, Biokunststoff, Bioökonimie, Bioplastik, Circular Economy, Kunststoff, Plastik, Recycling